本發(fā)明屬于化學(xué)學(xué)科教學(xué)實踐領(lǐng)域，具體是涉及一種理想氣體常數(shù)的測定裝置及方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)化學(xué)學(xué)科的教學(xué)實踐中，針對理想氣體常數(shù)的測定，根據(jù)公式r＝pv/nt，利用方程式mg+h2so4＝mgso4+h2↑，稱取mg的質(zhì)量計算出氫氣的物質(zhì)的量n，p為大氣壓，溫度為常溫下。

該實驗方法可以粗略測定出理想氣體常數(shù)，但尚存在以下三個問題：

①、實驗中水蒸氣會造成一定的誤差；

②、鎂條不純或表面被氧化會帶來一定的誤差；

③、該實驗不能直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強影響的特點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決傳統(tǒng)測定理想氣體常數(shù)的方法存在誤差較大、不易操作、直觀性差等缺點。本發(fā)明提供了一種理想氣體常數(shù)的測定裝置及方法，既可以直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)，又可以明顯地看出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強影響的這一特點。

為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：一種理想氣體常數(shù)的測定裝置，包括三頸瓶、鐵架臺、水浴槽、酒精燈、溫度傳感器、壓力傳感器、導(dǎo)管和燒杯，三頸瓶通過鐵夾安裝在鐵架臺上，三頸瓶瓶身置于水浴槽中，在水浴槽的下方通過酒精燈控制水浴槽內(nèi)水的溫度；溫度傳感器、壓力傳感器和導(dǎo)管分別安裝在三頸瓶的三個支管上并通過塞子密封，導(dǎo)管的末端伸入盛有氫氧化鈉溶液的燒杯中，導(dǎo)管上設(shè)有止水夾。

利用上述裝置測定理想氣體常數(shù)的方法，步驟如下：

①、在三頸瓶中插入壓力傳感器和溫度傳感器，導(dǎo)管插入到盛有氫氧化鈉溶液的燒杯中；

②、稱量三頸瓶的質(zhì)量，打開瓶塞，向其中加入少量碘單質(zhì)，放好水浴槽和酒精燈；

③、打開止水夾，將三頸瓶整體沒入水浴槽中，加熱至三頸瓶底部沒有碘單質(zhì)固體為止，關(guān)閉止水夾，移開酒精燈并開始記錄接下來一段時間內(nèi)溫度傳感器、壓力傳感器的數(shù)值；

④、待三頸瓶冷卻至室溫，稱此時三頸瓶的質(zhì)量，兩次質(zhì)量差值即三頸瓶內(nèi)此時含有碘單質(zhì)的質(zhì)量；

⑤、依據(jù)公式r＝pv/nt＝pvm/mt計算出理想氣體常數(shù)，公式中，v為三頸瓶體積、為m三頸瓶兩次質(zhì)量差值、m為碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量，壓力p和溫度t數(shù)值通過溫度傳感器、壓力傳感器獲得。

作為本發(fā)明的理想氣體常數(shù)的測定裝置的另一種改進，裝置還包括采集溫度傳感器、壓力傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器將采集到的溫度、壓力數(shù)據(jù)傳輸至處理設(shè)備中，處理設(shè)備計算并顯示出理想氣體常數(shù)數(shù)值。

作為本發(fā)明的理想氣體常數(shù)的測定方法的另一種改進，步驟如下：

①、在三頸瓶中插入壓力傳感器和溫度傳感器，導(dǎo)管插入到盛有氫氧化鈉溶液的燒杯中，選擇電腦作為處理設(shè)備，打開電腦中安裝的威尼爾軟件；

②、稱量三頸瓶的質(zhì)量，打開瓶塞，向其中加入少量碘單質(zhì)，放好水浴槽和酒精燈；

③、打開止水夾，將三頸瓶整體沒入水浴槽中，加熱至三頸瓶底部沒有碘單質(zhì)固體為止，關(guān)閉止水夾，點擊威尼爾軟件上的“采集”按鈕，移開酒精燈，采集一段時間后點擊“停止采集”按鈕；

④、待三頸瓶冷卻至室溫，稱此時三頸瓶的質(zhì)量，兩次質(zhì)量差值即三頸瓶內(nèi)此時含有碘單質(zhì)的質(zhì)量；

⑤、向軟件界面中輸入三頸瓶體積(v)、三頸瓶兩次質(zhì)量差值(m)、碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量(m)，軟件結(jié)合采集的壓力(p)和溫度(t)數(shù)值，依據(jù)公式r＝pv/nt＝pvm/mt計算出理想氣體常數(shù)。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

本發(fā)明使用溫度傳感器、壓力傳感器，測定出三頸瓶內(nèi)碘單質(zhì)完全升華后的動態(tài)的壓強和溫度變化曲線，結(jié)合相關(guān)算法，可以直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)，并能明顯地看出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強影響的這一特點。

附圖說明

以下結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作出進一步的詳述。

圖1是本發(fā)明的理想氣體常數(shù)的測定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是溫度及氣壓變化曲線。

圖3是測得的理想氣體常數(shù)實驗數(shù)據(jù)。

具體實施方式

本發(fā)明主要是運用數(shù)字實驗測定理想氣體常數(shù)：

①、實驗裝置

理想氣體常數(shù)的測定裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，三頸瓶5通過鐵夾12安裝在鐵架臺7上，三頸瓶5瓶身置于水浴槽4中，在水浴槽4的下方通過酒精燈6控制水浴槽內(nèi)水的溫度。

三頸瓶5的三個支管分別安裝溫度傳感器11、壓力傳感器10和導(dǎo)管2，并通過塞子密封。導(dǎo)管2的末端伸入盛有氫氧化鈉溶液的燒杯1中，并通過關(guān)閉夾持在導(dǎo)管2上的止水夾3暫時密閉三頸瓶內(nèi)體系，并避免液體回流。

數(shù)據(jù)采集器8將采集的溫度和壓力數(shù)值傳輸至處理設(shè)備9中，處理設(shè)備9計算并顯示出理想氣體常數(shù)數(shù)值。為了更為直觀的顯示測定曲線及數(shù)值，通過在裝有威尼爾配套軟件的電腦上輸入相關(guān)數(shù)據(jù)(m、v、m數(shù)值)，并實時采集溫度和壓力數(shù)值，從而構(gòu)建出理想氣體常數(shù)的函數(shù)曲線。

②、實驗原理如下：

pv＝nrt

r＝pv/nt＝pvm/mt

p運用壓力傳感器可以直接測出；

v運用排水法可以測出容器(三頸瓶)體積；

t運用溫度傳感器可以直接測出；

m運用質(zhì)量差測出三頸瓶內(nèi)碘單質(zhì)的質(zhì)量。

碘單質(zhì)在45℃時升華已比較明顯，本發(fā)明在三頸瓶內(nèi)放入過量的碘單質(zhì)，并將三頸瓶完全浸入在水浴槽中的熱水浴內(nèi)(水溫在90℃左右)，利用碘單質(zhì)的升華趕盡三頸瓶內(nèi)的空氣，排出的空氣及碘蒸汽通入氫氧化鈉溶液中。待裝置內(nèi)碘單質(zhì)完全升華，關(guān)閉止水夾，測定一段時間中裝置內(nèi)溫度及氣壓變化曲線，再利用裝置質(zhì)量差計算出此時裝置內(nèi)的碘單質(zhì)含量，在配套處理設(shè)備(如裝有威尼爾配套軟件的電腦)上輸入相關(guān)數(shù)據(jù)(m、v、m數(shù)值)，從而構(gòu)建出理想氣體常數(shù)的函數(shù)曲線。

③、實驗方法步驟：

1、如圖1所示連接，在三頸瓶中插入壓力傳感器和溫度傳感器，導(dǎo)管插入到1mol/l氫氧化鈉溶液中，打開電腦中的威尼爾軟件(基于r＝pv/nt＝pvm/mt算出r值)。

2、稱量三頸瓶(規(guī)格為251ml)的質(zhì)量(含塞子及不可取下的連線)為352.602g。打開瓶塞，向其中加入約10g的碘單質(zhì)，如圖1所示連接好各部件。

3、打開止水夾，將三頸瓶整體沒入水浴槽(溫度約90℃)中，加熱至三頸瓶底部沒有碘單質(zhì)固體為止，關(guān)閉止水夾，點擊軟件上的“采集”按鈕，移開酒精燈，采集約3min。點擊“停止采集”按鈕。

4、待三頸瓶冷卻至室溫，稱此時三頸瓶的質(zhì)量(含塞子及不可取下的連線)為354.792g，即三頸瓶內(nèi)此時含有碘單質(zhì)的質(zhì)量為2.190g。

5、點擊軟件“數(shù)據(jù)”欄中的“新計算欄”，在“參數(shù)”欄中輸入“體積＝0.251l”、“質(zhì)量＝2.190g”、“碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量＝254.000g/mol”。在“公式”欄中輸入“(碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量*體積*”壓力”)/(“溫度”*質(zhì)量)”，勾選“在實時讀數(shù)時顯示”，點擊“完成”。

④、實驗數(shù)據(jù)及結(jié)論

圖2是溫度及氣壓變化曲線，圖3是測得的理想氣體常數(shù)實驗數(shù)據(jù)。從圖2和3中可以看出，理想氣體常數(shù)并不受溫度和壓力同時變化的影響，測出數(shù)據(jù)約為8.30kpa·l·mol^-1·k^-1，準(zhǔn)確度達99.83％。

⑤、實驗創(chuàng)新點

傳統(tǒng)實驗在進行理想氣體常數(shù)測定時，存在誤差大，且不能直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強影響的特點。本實驗利用碘蒸汽升華排出裝置內(nèi)的空氣，有效地減少了誤差。其次，本實驗操作簡單，測定出溫度和壓強數(shù)據(jù)后，直接在威尼爾軟件中設(shè)置一下相關(guān)固定參數(shù)即可得出結(jié)果，直觀明了。

以上內(nèi)容僅僅是對本發(fā)明的構(gòu)思所作的舉例和說明，所屬本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離發(fā)明的構(gòu)思或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。